大直徑HDPE管道水下合龍對接施工中拉弧法工藝要點(diǎn)

曾凡，薛林虎

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

在HDPE管道的取排水工程應(yīng)用中，為加快施工進(jìn)度，一般選取陸上結(jié)構(gòu)施工和海底管道安裝同步進(jìn)行的方式[1-2]，這就造成了最終合龍段[3-4]，其施工工藝和施工質(zhì)量對整個(gè)項(xiàng)目影響重大，通常采用伸縮節(jié)工藝進(jìn)行最終合龍段施工[1，5-7]，但由于價(jià)格昂貴，因此有必要開發(fā)一種替代工藝，從而節(jié)約項(xiàng)目成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。本文首次提出了利用拉弧法工藝進(jìn)行大直徑HDPE管道最終合龍段水下安裝，闡明了拉弧法工藝要點(diǎn)，并成功應(yīng)用于沙特吉贊JIGCC取排水項(xiàng)目中。

1 拉弧法工藝

拉弧工藝是指合理加長管段長度，使其大于實(shí)際缺口長度，然后牽拉造弧，通過控制管段橫向偏差來調(diào)整軸向長度，完成合龍段的水下安裝。

拉弧法工藝的重點(diǎn)在于，在滿足管段允許曲率半徑要求的前提下，需要綜合考慮施工誤差、管道熱脹冷縮效應(yīng)和基槽平整度等所有不可控因素，合理確定管道焊接長度，滿足合龍段“塞入”工藝的要求，完成最終合龍段的水下安裝。

2 拉弧法工藝要點(diǎn)

拉弧法施工關(guān)鍵是確定合龍段焊接長度L，其由HDPE管道曲率半徑以及橫向允許誤差控制，在管段彎弧程度及縮進(jìn)距離上存在一定閾值，該閾值及管道因熱脹冷縮導(dǎo)致的變形量為拉弧法中確定合龍段管道焊接長度的重要因素。

合龍段管道焊接長度L應(yīng)為理論合龍長度La及富余焊接長度Lb之和，通過測量已沉放管段的對接端頭獲取La，監(jiān)測確認(rèn)陸上管道因溫度導(dǎo)致脹縮的調(diào)整長度Lt及計(jì)算評估拉弧段允許回縮量ΔL來判斷所需要焊接的富余長度Lb。

即：

以下將分別對理論合龍長度La和富余焊接長度Lb的影響因素和確定方法展開闡述。

2.1 理論合龍段缺口長度La

將輔助船舶定位于對接端位置，由潛水員在管頭處固定測繩并監(jiān)控測繩位置穩(wěn)定后，引線至方駁，采用GPS測量測繩位置，可得到La。

2.2 脹縮調(diào)整長度Lt

脹縮調(diào)整長度指因管壁溫度變化而造成的長度變化。需要在考慮理論變化長度的基礎(chǔ)上[8]，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)予以確定。根據(jù)PE管材的線膨脹系數(shù)0.18 mm/（m·℃）求出管段理論變化長度。實(shí)測中，選取若干個(gè)熱脹冷縮性能的監(jiān)測點(diǎn)，利用全站儀測量監(jiān)測點(diǎn)位置，并記錄當(dāng)時(shí)的管壁溫度和氣溫，則可得到實(shí)測長度。二者相互修正，最終得到Lt。

2.3 拉弧段回縮量ΔL

2.3.1 工況考慮

由管道允許曲率半徑確定允許最大拉弧段回縮量ΔLmax。允許曲率半徑的取值分為兩類工況：

一是管道以弧形擺位最終沉放，此為長期工況。將長期工況的最小曲率半徑以及橫向允許偏差作為已知限定條件可試算出相關(guān)的拉弧參數(shù)，包括彎弧管長L1、拉弧荷載F1和管端回縮量ΔL，此為管道拉弧對接完成后所能允許的最低條件。

二是短時(shí)間內(nèi)對管道進(jìn)行拉弧，此為短期工況。管道在滿足最小曲率半徑的情況下，管道長度相同，拉弧荷載F2越大，回縮量ΔL越多，則合龍段管道更容易塞入缺口內(nèi)，以便解決管道拉弧時(shí)風(fēng)浪等不確定因素導(dǎo)致的管道拉弧荷載不穩(wěn)定或回縮不充分的問題。

針對兩種不同的工況，分別進(jìn)行數(shù)值分析，驗(yàn)證拉弧狀態(tài)，并對管段的位移、強(qiáng)度進(jìn)行分析和驗(yàn)算，再根據(jù)兩種工況下的回縮量綜合評估確定拉弧段回縮量ΔL。

2.3.2 計(jì)算方法

利用簡支梁模型進(jìn)行計(jì)算，分別在管長1/4處和3/4處添加荷載，利用試算法確定達(dá)到既定管段變形位移時(shí)所需的荷載數(shù)值。拉弧前的管段長度為L1，拉弧后沿管道軸線方向的投影長度為L1′，彎弧弦高即橫向偏移誤差為H，ΔL1為管段拉弧所產(chǎn)生的回縮量，即拉弧前后的管段長度差。見圖1。

圖1 拉弧原理示意圖Fig.1 Sketch of arc-drawing method

以最小曲率半徑以及橫向允許偏差作為已知限定條件，可得：

帶入式（3）簡化可得：

根據(jù)式（6），可由管道允許曲率半徑R以及橫向偏移偏差H確定回縮量ΔL，而后進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，確保管段安全性。

3 工程應(yīng)用

沙特吉贊JIGCC取排水工程HDPE管道包括6根內(nèi)徑3 000 mm的HDPE管，每根管由陸側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)消能池向海側(cè)延伸約2.5 km，陸上消能池結(jié)構(gòu)與海側(cè)HDPE管道同時(shí)施工，S1為最終合龍段，對S2管段進(jìn)行拉弧，管道平面圖見圖2。

圖2 沙特吉贊JIGCC取排水工程HDPE管道平面圖Fig.2 Plan layout of HDPE pipeline of JIGCC seawater intake and drainage project in Jazan,Saudi Arabia

3.1 合龍段最終長度確定

3.1.1 合龍段缺口長度La

由2.1節(jié)方法，實(shí)測本工程理論合龍段缺口長度見表1。

表1 最終合龍段缺口長度統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of gap length of final closure section

3.1.2 脹縮調(diào)整長度Lt

考慮項(xiàng)目可供利用的船機(jī)資施工作業(yè)海域可利用的拉弧操作空間等因素，確定了S2管段的拉弧長度為189.802 m。在此條件下，根據(jù)理論計(jì)算值，焊接時(shí)與管道水下安裝時(shí)管壁溫差為6℃，則PE管材理論管長減小21 cm?，F(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測結(jié)果顯示管長減小約20 cm。這是因?yàn)楣懿氖艹鲞\(yùn)小車與軌道間摩擦力約束，而在水中無約束狀態(tài)下會完全發(fā)揮其脹縮特性，會比由監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的安裝管長稍微縮短一些。綜合理論值與實(shí)測值，同時(shí)兼顧不可預(yù)測因素，最終確定溫度變化而產(chǎn)生的Lt=25 cm。

3.1.3 拉弧段回縮量ΔL

1）長期工況

計(jì)算結(jié)果表明兩處所加荷載值F1=13.1 t時(shí)，管段變形達(dá)到設(shè)定情況，管段回縮量ΔL=0.621 m，管段垂向位移H（即實(shí)際弦高）為3.513 m。在拉弧過程中，管段自身會產(chǎn)生彈性變形，但是因?yàn)樵撝递^小，不會對最終實(shí)施效果產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。

2）短期工況

根據(jù)彎弧管長L1=189.802 m及50D（D為管道外徑）的曲率半徑進(jìn)行弦高計(jì)算，最大弦高即管道拉弧的最大豎向位移為7.12 m。以現(xiàn)場15 t卷揚(yáng)機(jī)為基準(zhǔn)，分3種情況進(jìn)行計(jì)算，見表2。

表2 短期工況下拉弧驗(yàn)算結(jié)果匯總表Table 2 Summary of arc-draiwng calculation results in short term

針對管道合龍對接后弧形擺位這種長期工況，管段S2彎弧管長為189.802 m，拉弧荷載為13.1 t，彎弧弦高為3.513 m，管端回縮量ΔL1為0.621 m，因此ΔL必須小于0.621 m才能滿足對接沉放后弧形擺位所要求的橫向偏移誤差及曲率半徑要求，ΔL取整數(shù)值為0.6 m。

3.1.4 管道焊接長度L

根據(jù)現(xiàn)場施工條件及短期工況3種荷載作用下的管道回縮量，現(xiàn)場施工可以滿足17 t的作用荷載，可通過加載及卸載的方式提供約0.44 m的調(diào)節(jié)長度進(jìn)行對接施工，且因水下溫度較低導(dǎo)致冷縮形成的Lt=0.25 m，由公式Lb=Lt+ΔL計(jì)算，合龍段管道焊接富余長度Lb為0.85 m。

3.2 應(yīng)用效果

本文結(jié)果成功應(yīng)用于沙特吉贊JIGCC取排水工程中，共完成了6段合龍段對接施工，安裝精度滿足設(shè)計(jì)要求，合龍段安裝完成后管道監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 合龍段安裝完成后管道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表Table 3 Analysis of pipeline inspection data after completion of closure section installation

4 結(jié)語

闡述了拉弧法工藝要點(diǎn)，總結(jié)出的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)方法以及計(jì)算公式，為今后類似的大直徑HDPE管道合龍對接提供了理論數(shù)據(jù)及施工參考。

本文研究成果成功應(yīng)用于沙特吉贊JIGCC取排水項(xiàng)目中，比伸縮節(jié)合龍管道節(jié)約了近一半的費(fèi)用，降低了成本。

拉弧法合龍施工所需船機(jī)設(shè)備較多、準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜等方面還需進(jìn)一步研究及優(yōu)化，這是今后在大直徑深海HDPE管道施工中需重點(diǎn)優(yōu)化的問題之一。